Космический ландшафт - Леонард Сасскинд

Глава 11. Вселенная из мыльной пены

Одно дело утверждать, что теория порождает огромное количество возможностей для законов физики, и совсем другое – утверждать, что природа на самом деле использует все эти возможности. Какие из множества возможных условий действительно актуализируются в виде реальных миров? В числе решений уравнений физики есть и такие, которые описывают гигантские сферические конструкции из нержавеющей стали, вращающиеся вокруг массивных «звёзд», сделанных из чистого золота. Точнее: теоретически такие решения существуют. Но существуют ли такие объекты во Вселенной? Наверное, нет, и причины этого лежат в истории развития Вселенной. Нет ничего в механизме развития Вселенной, ничего в космологии Большого взрыва, что позволило бы объяснить, каким образом могли бы возникнуть подобные объекты. Математическое существование не тождественно физическому существованию. Открытие теорией струн 10500 возможных решений ничего не объяснит нам про наш мир, если мы не понимаем, как соответствующие части Ландшафта могли появиться на свет.

Некоторые физики уверены, что должен существовать некий вакуумный принцип отбора, позволяющий выбрать одну из множества точек Ландшафта, а именно ту, которая соответствует нашей Вселенной. Подобный принцип, если он существует, должен быть математическим – возможно, это должно быть доказательство того, что только одно из возможных решений является математически согласованным. Но как бы то ни было, математика теории струн идёт другим путём – ко всё большей и большей не-уникальности. Я слышал мнение, что вакуумный принцип отбора должен быть космологическим: рождение Вселенной возможно только единственным способом, и он приводит к уникальному набору физических констант. Однако вакуумный принцип отбора сродни Лох-Несскому чудовищу – все утверждают, что он есть, но никто никогда его не видел. Многие из нас начинают подозревать, что этого принципа и вовсе не существует. Даже если бы такой механизм существовал, вероятность того, что в результате его работы Законы Физики будут настроены с той невероятной точностью, которая необходима для нашего существования, по-прежнему останется незначительной. Лично я считаю, что существование вакуумного принципа отбора было бы настоящей катастрофой.

Какова же альтернатива? Ответ может заключаться в том, что природа каким-то образом использует все возможности. Существует ли какой-нибудь естественный механизм, позволяющий «населить» Мегаверсум всеми возможными условиями, превращая их из математических возможностей в физические реальности? Большинство физиков, включая меня, верят, что такой механизм существует. Я называю это населённым ландшафтом.[91]

В этой главе я расскажу о главной идее населённого ландшафта: о механизмах, базирующихся на хорошо проверенных физических принципах, которые приводят к огромному или даже бесконечному количеству карманных вселенных, представляющих все возможные долины Ландшафта.

Механизмы, которые лежат в основе населённого ландшафта, основываются исключительно на принципах общей теории относительности и общепринятых положениях квантовой механики. Чтобы понять, как ландшафт становится населённым, нам придётся рассмотреть две фундаментальные физические концепции. Первая состоит в метастабильности вакуума. Она отражает тот факт, что свойства вакуума могут внезапно измениться от ничтожного воздействия «без объявления войны». Вторая концепция состоит в том, что пространство само себя клонирует.

Стабильность и метастабильность

В мрачной научно-фантастической сатире Курта Воннегута «Колыбель для кошки» физик Феликс Хониккер обнаруживает новую кристаллическую модификацию воды под названием лёд-девять. Кристаллическая структура льда-девять несколько отличается от обычного льда. Представляя собой новый способ укладки атомов, она образует настолько стабильную кристаллическую решётку, что лёд-девять тает только при температуре +45,8 °C. В романе Воннегута причина того, что вся вода на Земле до сих пор оставалась в обычном состоянии, в том, что крошечному зародышу нового кристалла необходимо «научить» молекулы воды собирать себя в более стабильную решётку льда-девять. Один такой крошечный кристаллик-учитель льда-девять, попав в любой водоём, так или иначе сообщающийся с мировыми водами, может привести к их стремительному превращению в лёд-девять и, таким образом, гибели жизни на Земле. До Хониккера никто никогда не создавал кристалла льда-девять, поэтому вся вода Земли до сих пор оставалась «не испорченной» смертоносным кузеном обычного льда.

Но она оставалась таковой лишь до тех пор, пока кусочек изобретённого Хониккером льда не попал в руки Папы Монзано, диктатора карликового островного государства Сан-Лоренцо. Папа Монзано кончает с собой, лизнув кусочек льда-девять, дестабилизируя тем самым всю воду в своём организме. За доли секунды она превращается в смертельный лёд-девять, и всё его тело моментально коченеет. Когда замок Монзано рушится в результате падения на него самолёта, тело диктатора попадает в море, вызывая цепную реакцию превращения всей воды на Земле в лёд-девять.

Разумеется, лёд-девять – это выдумка. Не существует модификации воды, остающейся твёрдой при температуре выше 0 °C. «Колыбель для кошки» – всего лишь поучительная аллегорическая история о безумии и нестабильности мира, напичканного ядерным оружием. Но, несмотря на свою фантастическую фабулу, история про лёд-девять основывается на серьёзных физических и химических принципах, в частности на концепции метастабильности.

Стабильность подразумевает определённую степень устойчивости к случайным внешним воздействиям. Маятник, свисающий вертикально вниз, очень стабилен. В противоположность ему стоящий на острие карандаш крайне нестабилен и может упасть в непредсказуемом направлении. Метастабильность располагается где-то между этими двумя крайними случаями.

Некоторые системы обладают замечательным свойством длительное время сохранять стабильное состояние, а затем внезапно без всяких видимых причин претерпеть катастрофические изменения. Такие системы и называются метастабильными.

В реальном мире вода в закрытом сосуде при комнатной температуре стабильна. Но в выдуманном мире Феликса Хониккера и Папы Монзано она метастабильна. Реальная вода тоже может быть метастабильна, но не при комнатной температуре. Удивительно, но оказывается, что если медленно охладить воду ниже температуры замерзания или нагреть её выше температуры кипения, она может оставаться жидкой довольно долгое время, пока случайное внешнее воздействие не приведёт к тому, что вода моментально замёрзнет или вскипит. Как ни странно, но вакуум в теории струн, как правило, метастабилен. Однако прежде, чем мы погрузимся в метастабильную воду или в метастабильное пустое пространство, мне хотелось бы привести ещё один простой пример метастабильности.

Некоторые события лежат в плоскости невозможного. Независимо от того, как долго вы будете ждать, они никогда не произойдут. Другие события просто очень маловероятны, но если ждать достаточно долго, то они в конечном счёте происходят. Следующий пример иллюстрирует явление, невозможное с точки зрения классической физики. Представим себе небольшой мяч, который катится по одномерному ландшафту. То есть он не катится, а лежит в нижней части долины между двумя высокими горами. По другую сторону горы есть ещё одна долина, но мяч не может в неё попасть. Для того чтобы преодолеть гору и добраться до нижней части другой долины, мячу необходимо иметь достаточно кинетической энергии для компенсации потенциальной энергии, соответствующей разности высот между нижней частью долины и вершиной горы. Если мяч покоится на дне долины, то у него нет энергии даже для того, чтобы забраться на подножие горы. Добраться до другой долины без дополнительного толчка мячу не просто маловероятно, а совершенно невозможно. Это пример идеальной стабильности.

Но теперь давайте добавим в нашу систему немного тепла. Если воздух в долине горячий, то мяч будет постоянно бомбардироваться хаотически движущимися молекулами воздуха – он будет обладать небольшой, если так можно выразиться, тепловой дрожью. И если мы запасёмся терпением и будем ждать достаточно долго, то в один прекрасный момент несколько необычайно энергичных молекул сумеют сообщить мячу импульс, достаточный для того, чтобы перекатиться через гору в соседнюю долину. Вероятность того, что такое случайное событие произойдёт в течение часа, чрезвычайно мала. Но какой бы малой ни была вероятность, она не равна нулю, а значит, рано или поздно мяч окажется в соседней долине.

Но погодите! Мы забыли про квантовую дрожь. Даже без добавления в систему дополнительного тепла – даже при температуре абсолютного нуля – мяч испытывает небольшие флуктуации из-за квантовой дрожи. Выходит, что даже в отсутствие тепловой энергии квантовые флуктуации в конечном итоге «пнут» мяч достаточно сильно, чтобы он перекатился через гору. Квантово-механический мяч в долине не представляет собой абсолютно стабильную систему: есть небольшая вероятность, что он окажется на другой стороне горы. Физики называют этот странное непредсказуемое квантовое поведение «квантовым прыжком», или туннелированием. Обычно квантовое туннелирование является весьма маловероятным событием, его вероятность можно сравнить с вероятностью того, что запертые в комнате обезьяны, случайным образом ударяющие по клавишам пишущих машинок, напишут пьесу Шекспира.